DCC Voltmeter

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Schienenspannung

Track Voltage

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fertiges Messgerät / finished meter
Die Schienenspannung ist unvermuteter maßen oft eine völlige Unbekannte für den Modellbahner. Viele Zentralen bieten keine Möglichkeit die echte Ausgangsspannung zu kontrollieren. Noch schlimmer verfügen viele Geräte über keinerlei Maßnahmen die Spannung am Ausgang konstant zu halten. Schon allein deshalb weiß der Modellbahner oft nicht woran er ist.

Spannungseinbrüche durch einen schwachen Transformator, Verluste in der Zentrale und zu schwache Verkabelung führen zu fragiler Spannungsversorgung am Gleis. Vor allem zu schwache Verkabelung führt zu unerklärlichem Verhalten von Lokomotiven bzw. Geräuschelektronik. Um diesen Fehlerquellen nachzulaufen habe ich nachfolgendes Gerät konstruiert. In den letzten Tagen konnte ich massive Verkabelungsprobleme bei Freunden damit aufspüren und ein paar dieser unerklärlichen Probleme beheben.

  The track voltage is surprisingly the big unknown item for most railroaders. Most central units don't offer to display the actual output voltage. Even worse almost all CU's don't provide voltage stabilization. Based on this nobody knows what is going on on the electrical side.

Voltage cuts caused by a weak transformer, losses in the electronics of the central unit and/or booster and weak cabling result in fragile power on the track. This results in unexplainable errors on some parts of the layout. Sounds get fired off where the should not, locos behave uncontrolled. To monitor this I have constructed the following device. I have it now for less than a week and was able to trace down cabling problems on 3 layouts of my corailroaders.

Warum kein Multimeter?

Track Voltage

Die Gleisspannung auf Digitalsystemen ist Wechselspannung und hat eine, im Idealfall, Rechteckform. Damit Fällt zunächst das Messen mit dem Gleichspannungseingang eines Multimeters aus.   The voltage on the tracks is AC with rectangle wave form. This inhibits to measure the voltage on the DC entrance of a multimeter.

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DCC
Handelsübliche Multimeter gehen im Wechselspannungsmodus (AC) davon aus dass die Kurvenform sinusförmig ist. Wenn man solche Messgeräte mit einem Rechteckigen Signal versorgt wird ein zu hoher Spannungswert angezeigt. Der Fehler beträgt etwa Faktor 1,414 (√2). Für Qualitative Aussagen wie mehr oder weniger Spannung verglichen mit anderen Messpunkten reicht das durchaus aus. Wenn man aber quantitative Aussagen machen will wie viel Gleisspannung vorhanden ist ist die Korrekturrechnerei eher mühsam. Daher die Arbeit mit diesem Projekt.

Es gibt in der Oberklasse der Messgeräte welche die echte Effektivwertmessung haben. Hier wird die Kurvenform aufintegriert und damit auch beim rechteckigen Signal korrekt dargestellt. Aufgrund des doch üblicherweise gehobenen Preises werden solche Geräte wohl kaum bei Modellbahnern anzutreffen sein.

  Also the AC input of most meters will not display correct values. Usually they are calibrated to calculate the voltage based on sinus wave form. As a result the AC meter will display a wrong value, usually too high by factor 1.4.1 (√2). For qualitative information like voltage is equal or different compared to another point it might be good enough. To read the exact value it might be annoying to calculate the correction for the meter reading. This is the reason why I did this project.

I need to mention that the upper class of meters offers true RMS. Here the AC wave is integrated over time and results in correct values, independent of the wave form. I guess the average railroader does not even know of that nor owns such a meeter.

Was ist hier anders?

What is different here?

Die Idee hinter der Schaltung ist bestechend einfach. Man richtet das Rechtecksignal gleich, kompensiert die Verluste der Gleichrichtung und misst das Ergebnis.

Meine erste Schaltung hat dazu einen OP als Addierer benutzt. Die Kalibrierung war da etwas aufwändig. Nach einigem überlegen bin ich zu folgender Schaltung gekommen.

  The concept of the circuit is very simple. The input is rectified. The voltage loss of the rectifier is compensated and the result is red to a meter.

My first circuit used a OP to add the compensation voltage. Unfortunately some calibration was necessary to get the correct values. After some discussions I ended up with the following circuit.

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Schaltung / Circuit
An den beiden Dioden D5,6 fällt zur Kompensation der Spannungsverluste im Grätzgleichrichter Spannung ab die das Messergebnis korrigiert. Die Dioden werden über den Widerstand R4 von einer Batterie aus versorgt. Um eine möglichst exakte Fehlerkorrektur zu erreichen, sind alle 6 Dioden vom gleichen Typ. Die Widerstände R4 und R6 von 1k sorgen für einen gewissen Minimalstrom um nicht zu weit im stark gekrümmten Bereich der Diodenkennlinie zu arbeiten.

Die Widerstände R1,2,3,5 stellen einen Spannungsteiler dar. Über einen Schalter kann R5 überbrückt werden um 2 Messbereiche zu erhalten. Das Dient dazu wenn ein Digitalpanelmeter eingesetzt wird Spannungen über 20V anzeigen zu können.

Der Kondensator dient dazu etwaige Spitzen und Störungen zu glätten. Asymmetrische Signale wie es z.B.: bei Motorola Datenformat vorkommt werden durch die Gleichrichtung aufgehoben und stören daher die Messung nicht.

  The two diodes D5/6 are used to generate the compensation voltage. We loose voltage in the rectifier which needs to be corrected. To avoid errors in that process all 6 diodes are from the same type. The resistors R4 and R6 drain a minimum current through the diodes to move out of the curved area of the diodes.

The resistors R1,2,3,5 are used a a voltage cascade. The switch allows to ranges, as most DVMs have ranges up to 1999.

The capacitor is used to filter spikes caused by locos on the layout. Asymmetric input signal is rectified and does not disturb the measurement.

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Platinen Layout / PCP
Der Bereichsschalter ist 2 polig ausgeführt um eine Dezimalpunktumschaltung bei einem DVM zu ermöglichen. Der zweiter ebenfalls 2 polige Schalter dient zum Abschalten der Batterien. Es sind 2 Batterien vorgesehen, eine für die Korrekturspannung. Die zweite dient zur Versorgung des DVM. Ich habe getrennte Batterien vorgesehen, da viele DVM Module keine potentialfreien Eingänge haben, so auch jenes das ich eingebaut habe.

Beim Einsatz eines Analoginstruments oder eines vorhandenen Multimeters entfällt die 2. Batterie.

  The range switch has 2 paths. The second part might be used to power a decimal point of an DVM. The PCB layout offers 2 power paths. This is necessary as most DVMs need a potential free power supply. This means we need two batteries.

If you use a analog meter or the DC input of a standard multimeter the second battery is not required.

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fertige Platine (Prototyp) / finished prototype PCB

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fertiges Messgerät / finished meter
Das obige Bild zeit das Gerät im Leerlauf. Die angezeigten 1,26V ist die Spannung die an den Kompensationsdioden abfällt.   The picture shows my prototype in idle mode. The display shows the 1.26V compensation voltage.
Platine, Bausatz als auch Fertiggerät sind über AMW verfügbar.   I offer PCB kit or assembled unit via my AMW
 
 

 

ATW
© 2000ff - Arnold Hübsch